差别巨大。滑动摩擦的梯形螺杆机械效率约为30~50%。也就是说电动机的动力一半以上都浪费成摩擦热了。滚珠丝杆采用滚动摩擦,效率能达到90~95%。看左边的"机械效率"滑块,相同的力矩和导程,效率越高推力 F = 2π·η·T/ℓ 就越大。用同一个电动机能驱动更重的物体,更快地运动——这就是滚珠丝杆被用于CNC加工机床和机器人的原因。
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一直在说"导程"这个词,到底是什么意思?
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导程是"螺母旋转一周时前进的距离"。导程为10mm的螺杆,旋转一周就前进10mm。进给速度用 V = ℓ·n/60 计算,导程越大速度越快。但别高兴太早,推力 F = 2π·η·T/ℓ 中导程 ℓ 在分母上。也就是说导程越大,用相同力矩能产生的推力就越小。下面的"推力 vs 导程"图就是这条向下倾斜的曲线。高速搬运要选大导程,重切削要选小导程,要权衡选择。
由驱动力矩 T 产生的推力用 F = 2π·η·T/ℓ 计算(ℓ 为米制导程,η 为机械效率)。导程越小,相同力矩就能产生越大的推力,但进给速度就会变慢。这是"速度与推力的权衡"。例如导程10mm、力矩5N·m、效率0.90时,F=2π×0.90×5/0.010≈2827N。压重型加工负荷应选导程小的螺杆,高速搬运应选导程大的螺杆。
常见的误解是"滚珠丝杆效率接近100%,可以忽略损失"。虽然90~95%很高,但剩余的5~10%会以摩擦热的形式使丝杆轴升温。螺杆轴热膨胀会导致位置定位误差,尤其长螺杆误差更大。高精度机器在螺杆轴中通冷却液散热,两端固定并施加预张力,或者进行温度补偿等。本工具计算的效率 η 是理论值,实际设计中必须同时考虑发热和热变位。
另一个误解是"只要推力足,转速随便提"。进给速度 V 是导程与转速的乘积,但转速有两个上限:"危险速度(轴的弯曲共振)"和"DN值(钢球的滚动极限)"。细长的螺杆轴高速旋转时,轴本身会像跳绳那样振颤,达到危险速度会剧烈振动。本工具计算出的 V 和 F 再诱人,也必须用厂家的样本查证那个转速是否超过危险速度·允许DN值。